涡轮叶栅端壁区流动的实验研究

本文在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶栅中的流场进行了实验研究。采用五孔针对5个雷诺数下的叶栅端壁区三维流场进行了测量,并用线簇和小球浮动法对5个工况的流动进行了流场显示。实验结果表明:马蹄涡压力面分支在向吸力面运动的过程中,破坏了来流附面层的结构,在马蹄涡压力面分支之后,叶栅通道中产生了一个新的从压力面到吸力面的新附面层,新附面层的厚度小于来流附面层厚度;三维流动区约占叶栅通道的40%;雷诺数的增大将增强端壁区的三维流动。从流场显示图片可以观测叶片吸力面靠近端壁的角涡形成与发展,以及吸力面上的三角形区域;流场显示的通道涡大小与流场测量结果吻合。本文的实验结果有助于分析端壁表面和叶片表面换热特性的形成机理。      

涡轮叶栅端壁二次流动与换热的V2F模拟

针对低展弦比涡轮叶栅端壁区亚声速流动及换热,采用基于线性涡黏假设的V2F模型开展了数值模拟.结果表明：涡轮叶栅流动中存在马蹄涡、通道涡、压力侧角涡、吸力侧角涡等多种复杂涡系结构,其中马蹄涡与通道涡是涡轮叶栅二次损失的主要来源.端壁换热与马蹄涡及通道涡强度及位置直接相关,并呈现明显的分区特征.端壁极限流线结果显示,V2F模型模拟的端壁单马蹄涡分离线与实验结果吻合,优于SST （shear stress transport）k-ω模型模拟的端壁双马蹄涡分离线.V2F模型引入了新的湍流尺度,在马蹄涡及通道涡位置、端壁静压损失系数分布、叶栅出口总压损失分布及端壁Standon数分布等方面均与实验结果吻合较好,对叶栅气动损失及端壁换热有良好的预测能力.     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

叶栅二次流旋涡结构与损失分析

采用三维粘性程序对某型动力涡轮的第一级进行了数值模拟, 模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节, 展示了涡轮叶栅端壁和型面流动及叶栅通道内的三维流动结构.通过对叶栅中的二次流现象和流动损失机理的分析, 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构(马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等)的演变过程, 以及旋涡结构对损失分布的影响.      

具有不同翼刀的压气机叶栅二次流结构分析

给出了具有端壁翼刀、吸力面翼刀和组合翼刀的可控扩散叶型(CDA)压气机叶栅的二次流结构简图.端壁翼刀和吸力面翼刀分别通过阻断端壁横向流动和展向流动来对栅内二次流进行控制,不同程度上可使叶栅总损失得到降低;组合翼刀叶栅兼顾了端壁翼刀、吸力面翼刀叶栅中二次流的特点;最佳组合翼刀并不是最佳端壁翼刀和最佳吸力面翼刀的简单组合,它需要一个更详细的优化过程.不同翼刀在不同程度上改善栅内流动状况的同时,也伴随着端壁翼刀涡、吸力面翼刀涡和类通道涡的形成和发展,这使栅内旋涡结构较常规叶栅更为复杂.      

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

压气机叶栅二次流实验与理论分析

 本文给出了压气机叶栅出口截面的损失分布和气流角沿叶高的变化。叶栅二次涡和端壁吸力面角区分离引起流面翘曲和扭转,角区分离形成损失核心。二次流理论计算叶栅出气角沿叶高变化与实验相近。     

不同宽度吸力面小翼控制压气机叶栅间隙流动的实验研究

为了进一步揭示吸力面叶尖小翼控制压气机叶栅间隙泄漏流动的作用机制,实验研究了三种不同宽度吸力面小翼在3%弦长间隙下对压气机叶栅气动性能的影响,并建立了带吸力面小翼的压气机叶栅旋涡结构模型。研究结果表明,吸力面小翼使得泄漏流在翼顶通道内发生掺混,延缓了泄漏涡的形成并降低了泄漏涡强度,三种宽度吸力面小翼分别使叶栅损失降低6.9%,7.7%和8.2%。吸力面小翼对叶栅损失值的降低量并不与其自身宽度增加量成线性关系。较大宽度的吸力面小翼会导致近端壁区气流欠偏转程度增加及泄漏流掺混损失等附加损失增大。     

带不同形状吸力面小翼的压气机叶栅变间隙实验研究

为了控制和降低压气机中由叶尖间隙引起的泄漏损失,对加装不同形状的吸力面小翼变间隙流场进行了实验研究。通过五孔探针测量叶栅出口流场,详细分析了不同间隙下吸力面叶尖小翼对压气机叶栅出口流场结构、气动损失和通流能力的影响。结果表明:与常规叶栅相比,附加吸力面小翼的叶栅泄漏涡涡核向远离叶片吸力面移动,且强度明显减弱,泄漏涡的起始点转移到吸力面小翼的最大厚度轴向位置处。不同形状的吸力面小翼在大间隙高度下对叶栅损失的影响较为明显,其中SW25方案叶栅在3%h间隙高度下效果最佳,可使叶栅出口总压损失降低15.38%。研究的三种不同形状的吸力面小翼仅在小间隙高度下改善了叶尖泄漏涡造成的叶栅出口气流角的过偏转/欠偏转现象。     

改进的瞬态实验方法对涡轮转子端壁换热的研究

改进瞬态实验方法,使实验件的初始温度在上下表面间形成线性分布,降低了对实验设备和操作的要求.以此方法研究涡轮转子端壁的流动和换热情况,实验结果表明,端壁表面的换热强度受来流雷诺数和端壁二次流结构的共同影响.来流雷诺数增加,端壁整体换热增强;二次流的影响,导致端壁表面存在若干局部传热强化的区域,包括前缘马蹄涡形成的区域、马蹄涡分支覆盖的区域、靠近吸力面一侧通道涡生成的区域、以及角涡产生的位置.实验测得的结果符合对端壁二次流结构的现有认识.      

叶根倒角对轴流涡轮转子流场的影响

通过对某一亚声速轴流涡轮转子进行数值模拟,研究了涡轮转子根部倒角对涡轮叶栅流场的影响.研究结果表明:叶根倒角改变通道内的涡系结构,使叶栅通道内的流动重新分布,并降低了涡轮效率.当叶片根部存在较小半径的倒角时,倒角使叶片前缘近轮毂处的分离程度加剧,分离涡强度增加,并导致前缘马蹄涡和下通道涡强度和范围都增加,下通道涡增强导致叶片尾缘处通道下方静压降低,而通道上方静压相应升高,通道上半部流道前后压差减小,上通道涡的形成和发展受到抑制,上通道涡强度和分布范围都减小.随着倒角半径的增加,根部前缘分离程度先略有增加,然后减小,导致马蹄涡和下通道涡的强度先增加后减小,上通道涡强度先减小后增加.倒角还会使轮毂附近尾迹的强度和范围都加强,使尾迹损失增加.      

压气机叶栅内二次流的数值研究

本文应用Beam-Warming近似隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型,采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N-S方程组,对压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值研究。结果发现,在给定的流动条件下,叶栅内有多涡系组成的二次流旋涡结构。这些涡系的产生、发展、破裂以及相互作用显示了叶栅通道内三维流动的主要特征并对流动损失具有重要影响。计算结果与实验结果比较,两者吻合较好。      

具有叶顶间隙的涡轮正弯叶栅流场的拓扑与旋涡结构

为进一步揭示在具有间隙的涡轮叶栅中叶片正弯降低泄漏损失的机理,采用微型束状与球头五孔测针详细测量了直叶栅和正弯叶栅间隙内和诸横截面流场听气动参数,并对壁面进行了墨迹显示。根据测量与显示结果,应用拓扑学原理分析了壁面与横截面流动的拓扑结构,推测出叶栅内流场的旋涡结构。分析结果表明,在直叶栅中存在着七条分离线与七大集中涡系,它们分别为上端壁叶顶进口吸力边与压力边马蹄涡,泄漏损失的机理,下端壁进口边马蹄     

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响

隔板与机匣之间留有间隙,间隙的存在势必会对超声速膨胀器的内部流场和总体性能产生影响,为了获得超声速膨胀器内部间隙流动的流动细节,采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型,就顶部间隙对超声速膨胀器流动特性的影响进行了数值研究。结果表明:膨胀流道出口斜激波导致吸力面压力高于压力面,隔板尾缘附近部分泄漏流体经间隙流回压力面侧;间隙的存在导致吸力面进口及中、后部近下端壁压力上升,而压力面前缘附近压力下降,对比同一隔板位置,间隙高度每增加1%喉部高度,超声速膨胀器隔板载荷系数最高下降2.6%;端壁损失和斜激波损失降低,但产生了泄漏损失,三维流道内总的流动损失增加,膨胀器效率降低,本文研究范围内效率最多下降8.8%;马蹄涡、泄漏涡及二者之间的相互作用是顶部区域的主要涡系结构;前缘附近气流经间隙流到吸力面侧和尾缘附近泄漏流体越过间隙重新流回压力面侧是间隙内气流的主要运动形式。     

端壁翼刀控制压气机叶栅二次流的数值研究

对CDA常规直叶栅和4种端壁翼刀方案下叶栅内三维粘性流场进行了数值研究。分析表明,端壁不同位置上的翼刀不同程度上都阻断了近端壁区域压力面至吸力面的二次流动,翼刀上方偏向吸力面侧有反向"翼刀涡"产生,通道涡的强度被削弱;距压力面30%节距位置为安装端壁翼刀的最佳位置,可使损失降低7%～9%。计算结果和实验结果吻合较好。